KR20110088552A - 전기 구동 2단-변속 트랜스액슬 - Google Patents

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KR20110088552A
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존 알. 포시스
마리오 씨. 데산티스
켈리 라쓰나우
노엘 알. 맥
리차드 에이. 바코우스키
데이비드 더블유. 웬덴
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마그나 파워트레인 유에스에이, 인크.
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Abstract

자동차를 위한 전기 구동 모듈은 전기 모터와, 제1 입력 부재와, 제1 출력 부재와, 상기 제1 입력 부재와 상기 제1 출력 부재를 서로 다른 두 구동비 중 하나로 구동 가능하게 선택적으로 상호 연결하는 2단-변속 모듈을 포함한다. 감속 유닛은 상기 제1 출력 부재에 의해 구동되는 제2 입력 부재를 포함하고 상기 제2 입력 부재에 대해 감소된 속도로 구동되는 제2 출력 부재를 포함한다. 차동 조립체는 상기 제2 출력 부재에 의해 구동되는 입력부를 구비한다. 제1 차동 출력부는 제1 출력축을 구동하고, 제2 차동 출력부는 제2 출력축을 구동한다.

Description

전기 구동 2단-변속 트랜스액슬{ELECTRIC DRIVE TWO-SPEED TRANSAXLE}
본 발명은 자동차를 위한 전기 구동 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 전기 및 하이브리드 차량을 위한 2단-변속 전기 구동 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 2008년 11월 7일 출원된 미국 가출원 제61/112,339호의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 모든 개시내용은 본 명세서에서 참조로써 통합된다.
자동차 제조업체들은 내연 엔진을 갖춘 종래의 차량에 의해 대기로 배기되는 오염물의 수준을 감소시키기 위한 노력으로 대안적인 파워트레인 시스템을 개발하기 위해 적극적으로 노력하고 있다. 전기 차량 및 연료 전지 차량에 있어서 상당한 개발이 이루어져 왔다. 이러한 대안적인 파워트레인 시스템은 여전히 개발중이다. 또한 최근에는 여러가지 하이브리드 전기 차량이 시장에 출시되었다. 이러한 하이브리드 차량은 차량을 구동하기 위해 독립적이거나 함께 작동될 수 있는 내연 엔진 및 전기 모터를 갖추고 있다.
하이브리드 차량에는 전형적인 두 종류, 즉 직렬 하이브리드와 병렬 하이브리드가 있다. 직렬 하이브리드 차량에서 동력은 배터리로부터 전기적 에너지를 얻는 전기 모터에 의해 바퀴로 전달된다. 직렬 하이브리드 차량에서 엔진은 충전 상태가 미리 결정된 값 미만으로 떨어지는 경우 동력을 전기 모터로 직접 공급하거나 배터리를 충전하는 발전기를 구동하기 위해 사용된다. 병렬 하이브리드 차량에서 전기 모터 및 엔진은 차량의 주행 조건에 따라 독립적이거나 함께 작동될 수 있다. 일반적으로, 이러한 병렬 하이브리드 차량에서의 제어 방법은 차량을 구동하기 위해 전기 모터만이 사용되는 저-부하 모드, 차량을 구동하기 위해 엔진만이 사용되는 고-부하 모드 및 차량을 구동하기 위해 엔진과 전기 모터가 모두 사용되는 중간 보조 모드를 이용한다. 사용되는 하이브리드 구동 시스템의 종류와 무관하게, 하이브리드 차량은 부품, 제어 시스템의 요구 및 특수 패키징 요건으로 인해 고가인 종래 차량의 고도로 변경된 형태이다.
하이브리드 파워트레인은 사륜 구동 차량에서의 사용에 적용되어 왔고 일반적으로 제1 바퀴들을 구동하기 위해 상기 병렬 하이브리드 파워트레인을 이용하고 제2 바퀴들을 구동하기 위해 제2의 전기 모터를 이용한다. 명백하게, 이러한 사륜 구동 차량 시스템은 극도로 고가이고 패키징하기 어렵다. 따라서 특수 패키징을 최소화하고 비용을 절감하도록 많은 종래의 파워트레인 부품을 이용하는 사륜 구동 차량에서의 사용을 위한 오직 전기적으로만 구동되는 파워트레인 또는 하이브리드 파워트레인의 개발의 요구가 존재한다.
자동차를 위한 전기 구동 모듈은 전기 모터와, 제1 입력 부재와, 제1 출력 부재와 및 제1 입력 부재와 제1 출력 부재를 서로 다른 두 구동비 중 하나로 구동 가능하게 선택적으로 상호 연결하는 2단-변속 모듈을 포함한다. 감속 유닛은 제1 출력 부재에 의해 구동되는 제2 입력 부재를 포함하고 제2 입력 부재에 대해 감소된 속도로 구동되는 제2 출력 부재를 구비한다. 차동 조립체는 상기 제2 출력 부재에 의해 구동되는 입력부를 구비한다. 제1 차동 출력부는 제1 출력축을 구동하고, 제2 차동 출력부는 제2 출력축을 구동한다.
본 발명의 또 다른 응용분야는 이하에서 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 통상의 기술자에게는 특정 개시내용의 정당한 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 자명할 것이므로, 상세한 설명과 구체적 예시는, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 반면, 설명의 목적만을 위한 것이다.
본 명세서에서 설명되는 도면은 가능한 모든 구현이 아닌 선택된 실시예만의 설명의 목적을 위한 것이고, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
대응하는 참조부호는 각 도면에 걸쳐 대응하는 부품을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 사륜 구동 차량을 위한 하이브리드 파워트레인의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 파워트레인의 대안적인 배치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 전기 파워트레인의 대안적인 배치의 개략도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 파워트레인과 관계되는 전기 구동 모듈의 단면도이다.
도 5는 전기 구동 모듈의 기어박스와 관계되는 구성을 상세하게 도시하는 도 4의 확대 영역의 단면도이다.
도 6은 2단-변속 모듈과 관계되는 구성을 도시하는 도 4의 또 다른 확대 영역의 단면도이다.
도 7은 2단-변속 모듈 없이 단일 속도 유닛으로 구성되는 전기 구동 모듈의 측단면도이다.
도 8은 토크에 대한 전기 모터 속력을 나타내는 그래프이다.
도 9는 대안적인 전기 구동 2단-변속 모듈의 부분단면도이다.
도 10은 또 다른 대안적인 전기 2단-변속 모듈의 부분단면도이다.
도 11은 또 다른 대안적인 전기 2단-변속 모듈의 부분단면도이다.
도 12는 동축으로 정렬된 구동 부재를 구비하는 또 다른 대안적인 전기 구동 모듈의 개략도이다.
도 13은 오프셋 출력 부재를 구비하는 대안적인 전기 구동 모듈의 개략도이다.
실시예는 첨부한 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명될 것이다.
본 발명은 전기 모터를 포함하는 전기 구동 모듈 조립체에 관한 것이다. 전기 구동 모듈은 동력(즉, 구동 토크)을 지면과 맞닿는 바퀴 쌍으로 전달하기 위해 전기적으로 제어된다. 전기 모터, 단일 속도 기어박스 및 선택적인 2단-변속 모듈의 밀집 배치로 인해 종래의 액슬 조립체를 대신하는 전기 구동 모듈을 사용할 수 있다. 따라서, 사륜 구동 차량을 위한 하이브리드 구동 시스템을 설정하도록 종래의 후륜 구동 및 전륜 구동 파워트레인이 전기 구동 모듈과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 전기 구동 모듈은 배터리만으로 작동되는 차량에서도 사용될 수 있다. 따라서, 전기 구동 모듈의 다양한 특징과 기능적 특성은 이하에서 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 본 발명이 제공하는 현저한 장점을 완전히 이해할 수 있도록 하는 방법으로 제시될 것이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 전기 차량(10)을 위한 사륜 구동 파워트레인은 제1 동력 구동라인(12) 및 제2 동력 구동라인(14)을 포함한다. 제1 동력 구동라인(12)은 내연 엔진(16), 변속기(18), 구동축(20) 및 바퀴 쌍(24)을 연결하는 액슬 조립체(22)를 포함한다. 엔진 동력은 변속기(18)와 구동축(20)을 통해 액슬 조립체(22)와 관련되는 차동 유닛(26)으로 전달된다. 차동 유닛(26)으로 전달된 구동 토크는 액슬축(28 및 30)을 통해 바퀴(24)로 전달된다. 제2 동력 구동라인(14)은 액슬축(36 및 40)을 통해 제2 바퀴 쌍(34)을 구동하는 전기 구동 모듈(32)을 포함한다.
도 1의 특정한 배치에서, 제2 동력 구동라인(14)이 전륜(34)으로 동력을 전달하는 동안 제1 동력 구동라인(12)이 후륜(24)으로 동력을 전달한다. 명백하게, 통상의 기술자는 전기 구동 모듈(32)이 후륜에 동력을 공급하도록 반대의 파워트레인 배치가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 배치를 보다 잘 설명하기 위해서, 도 2는 엔진 동력이 트랜스액슬(18A)과 액슬축(36 및 40)을 통해 전륜(34)으로 공급되는 동안 동력이 액슬축(28 및 30)을 통해 후륜(24)으로 공급되는 모듈(32)을 도시한다. 특정한 배치와 무관하게, 하이브리드 차량(10)은 차량을 구동하기 위해 독립적인 작동 그리고 결합된 작동 두 가지 모두가 가능한 두 개의 구분되는 동력 구동라인을 포함한다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 전기 구동 모듈(32)이 차량(10)을 위한 유일한 동력원인 것을 고려해볼 수도 있다. 내연 엔진은 존재하지 않을 것이다. 따라서 전륜(34)은 액슬축(36 및 40)을 통해 전기 구동 모듈(32)에 의해 제공되는 토크를 제공받는다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 전기 구동 모듈(32)이 상세하게 도시될 것이다. 전기 구동 모듈(32)은 반경 지지벽(48)에 의해 분리되는 모터 챔버(44)와 기어박스 챔버(46)을 형성하는 다섹션 하우징 조립체(42)를 포함한다. 전기 구동 모듈(32)은 단일 속도 또는 2단-변속 동력 전달 장치로 구성될 수 있다. 2단-변속 구동 모듈(50)은 2단-변속 기능을 제공하기 위해 볼트-온 변형으로 하우징 조립체(42)에 결합될 수 있다. 2단-변속 구동 모듈(50)은 체결구(56)를 통해 하우징 조립체(42)에 고정되는 제1 단부를 구비하는 케이스(52)를 포함한다. 케이스(52)의 제2 단부는 캡(57)에 의해 밀봉된다. 전기 변속 모터 조립체(58)는 모터 챔버(44) 내에 위치하고 하우징 조립체(42)에 고정되는 권선 고정자(wound stator)(60)와 연장된 관형 로터축(62)을 포함한다. 로터축(62)은 하우징 조립체(42)에 대한 회전을 위해 베어링 조립체(64)에 의해 대향하는 양단부가 지지된다. 모터 조립체(58)는 로터축(62)과 함께 회전하기 위해 고정되는 로터 조립체(66)도 포함한다.
전기 구동 모듈(32)은 기어박스 챔버(46) 내에 위치하는 기어박스(68)를 포함하고 이는 감속 유닛(70)과 베벨 차동(72)으로 이루어진다. 감속 유닛(70)은 제2 피구동 기어(84)와 일정한 맞물림 결합을 하는 제2 구동 기어(82)를 구비하는 제2 감속 기어셋(80) 뿐만 아니라 제1 피구동 기어(78)와 일정한 맞물림 결합을 하는 제1 구동 기어(76)를 구비하는 제1 감속 기어셋(74)을 포함한다. 제1 구동 기어(76)는 2단-변속 구동 모듈(50)로부터 동력을 제공하는 전송축(86)과 함께 회전하기 위해 고정된다. 제1 피구동 기어(78)와 제2 구동 기어(82)는 베어링(90)에 의해 회전가능하게 지지되는 중간축(88)과 함께 회전하기 위해 고정된다. 제1 구동 기어(76)는 제2 피구동 기어(84)가 베벨 차동(72)의 케이싱(94)에 고정되는 동안 전송축(86)과 함께 회전하기 위해 스플라인 접속(92)을 통해 고정된다. 스러스트 베어링(96 및 98)은 제1 구동 기어(76)의 양측에 제공된다. 다른 베어링 배치가 가능하다.
도 5를 참조하면, 베벨 차동(72)은 벨-형상의 케이싱(94)를 회전가능하게 지지하는 베어링 쌍(100)을 포함한다. 베벨 차동(72)은 스플라인 접속(110)을 통해 제1 출력축(112)에 고정되는 제1 사이드 기어(108), 스플라인 접속(116)을 통해 제2 출력축(118)에 고정되는 제2 사이드 기어(114) 및 사이드 기어(108 및 114)와 맞물리는 한 쌍 이상의 피니온(120)을 더 포함한다. 피니온(120)은 양단부가 케이싱(94) 내에 형성된 양극의 개구(124) 내에 위치하는 피니온축(122) 상에 회전가능하게 지지된다. 또한, 스냅 링(126 및 128)은 사이드 기어(108 및 114)를 각각의 출력축(112 및 118)에 대해 축방향으로 구속한다.
제1 구동 기어(76)와 일체로 형성되는 주차 기어(132)를 하우징(42)에 선택적으로 그라운드(ground)시키기 위해 주차 폴(parking pawl) 조립체(130)가 제공된다. 주차 기어(132)는 폴축(pawl shaft)(138) 상에 회전가능하게 배치되는 주차 폴(136)에 선택적으로 결합가능한 복수의 치형부(134)를 포함한다. 주차 폴(136)이 치형부(134)와 결합하면 감속 유닛(70) 내의 부품의 회전이 제한된다. 따라서, 차량(10)의 이동 또한 제한된다. 주차 폴(136)은 전술한 바와 같이 감속 유닛(70) 내의 부품의 회전이 가능하기 위해 치형부(134)로부터 결합이 풀리도록 폴 축(138)에 대해 회전가능하게 변위될 수 있다.
전기 구동 모듈(32)의 사용과 관련하여 출력축(112 및 118)은 도 1에 도시되는 하이브리드 파워트레인 배치를 위해 전방 액슬축(36 및 40) 중 대응하는 것에 연결되도록 구성되거나, 대안적으로 도 2에 도시되는 파워트레인 배치를 위해 후방 액슬축(28 및 30) 중 대응하는 것에 연결되도록 구성된다. 이러한 방법으로, 전기 구동 모듈(32)은 엔진-기반의 파워트레인과 독립적으로, 또는 함께 제어될 수 있는 제2 전기 작동식 액슬 조립체로 기능한다. 밀집 배치를 제공하기 위해, 제2 출력축(118)은 관형 로터축(62)을 통해 연장된다.
전기 구동 모듈(32)이 2단-변속 모듈(50) 없이 전술한 거의 모든 부품을 조립함으로써 도 7에 도시되는 바와 같이 단일 속도 동력 변속 장치로 구성될 수 있음을 이해해야 한다. 캡(57)은 2단-변속 모듈(50) 대신 하우징(42)에 결합된다. 전송축(87)은 전송축(86)과 관련하여 전술한 바와 같이 로터축(62)을 통해 연장할 필요가 없다. 따라서, 로터축(62)은 제1 구동 기어(76)로 직접 토크를 전달한다.
도 4 내지 도 6에 최적으로 도시된 2단-변속 배치를 다시 참조하면, 2단-변속 모듈(50)은 로터축(62)과 전송축(86) 사이의 제1 기어비(저)와 제2 기어비(고) 중 하나를 선택적으로 제공하기 위해 서로 협력하여 작용하는 유성 기어셋(140), 제1 클러치(142), 제2 클러치(144) 및 클러치 액추에이터(146)를 포함한다. 유성 기어셋(140)은 스플라인 접속(152)을 통해 허브(150)와 함께 회전하기 위해 고정되는 링 기어(annulus gear)(148)를 포함한다. 허브(150)는 또 다른 스플라인 접속(154)을 통해 로터축(62)과 함께 회전하기 위해 고정된다. 유성 기어셋(140)은 선 기어(sun gear)(156)와 캐리어(158)도 포함한다. 복수의 피니온 기어(160)가 캐리어(158)의 핀(161) 상에서의 회전을 위해 지지되고 링 기어(148) 및 선 기어(156)와 일정한 맞물림 결합을 하도록 배치된다. 선 기어(156)는 동심축(162)의 일단부에 일체로 형성된다. 캐리어(158)는 스플라인(166)을 통해 전송축(86)과 상호 연결되는, 축방향으로 연장하는 원통형 영역(164)을 포함한다. 베어링(168)은 원통형 영역(164) 상에서 허브(150)를 회전가능하게 지지한다.
제1 클러치(142)는 스플라인(182)을 통해 링 기어(148)에 고정되는 드럼(180)을 포함한다. 제1 클러치(142)의 허브(184)는 스플라인 접속(188)을 통해 동심축(162) 및 선 기어(156)과 함께 회전하기 위해 고정되고 반경방향으로 내부에 배치되는 칼라(collar)(186)을 포함한다. 허브(184)는 칼라(186)와 일체로 형성되고 반경방향으로 외부에 배치되는 원통형 영역(190)과 반경방향으로 연장하는 웹(192)도 포함한다.
제1 클러치(142)는 스플라인 접속(196)을 통해 드럼(180)과 함께 회전하기 위해 고정되고 드럼(180)에 대해 축방향으로 이동가능한 복수의 외부 클러치 플레이트(194)도 포함한다. 복수의 내부 클러치 플레이트(198)는 원통형 영역(190)과 함께 회전하기 위해 고정되고 원통형 영역(190)에 대해 축방향으로 이동가능하다. 외부 클러치 플레이트(194)에는 내부 클러치 플레이트(198)가 사이에 끼워져 있다. 제1 클러치(142)의 외부 클러치 플레이트(194)와 내부 클러치 플레이트(198)는 드럼(180)에 결합된 스냅 링(201)에 의해 축방향으로부터 일방향 이동이 제한되는 리액션 플레이트(200) 및 허브(184)의 영역으로서 일체로 형성되는 플랜지(199)에 의해 결합된다.
부하 플레이트(202)는 동심축(162) 상에서 지지되고 플랜지(204)와 스냅 링(206)에 의해 그에 대한 축방향 움직임이 제한된다. 스러스트 베어링(208)은 캐리어(158)와 부하 플레이트(202) 사이에 배치된다. 스프링(210)은 허브(184)를 부하 플레이트(202)로부터 그리고 드럼(180)에 대해 떨어지도록 강제한다. 스프링(210)은 제1 클러치(142)를 통해 토크를 전송하기 위해 플랜지(199)가 외부 클러치 플레이트(194) 및 내부 클러치 플레이트(198)로 압축력을 인가하는 제1 위치를 향해 허브(184)를 편향시킨다.
제2 클러치(144)는 원통형 영역(190)에서 허브(184)와 함께 회전하기 위해 고정되는 복수의 내부 클러치 플레이트(250)를 포함한다. 복수의 외부 클러치 플레이트(252)에는 내부 클러치 플레이트(250)가 사이에 개재되고 케이스(52)에 고정된다. 리액션 플레이트(254) 역시 케이스(52)에 고정된다. 액추에이터 플레이트(256)는 리액션 플레이트(254)의 대향하는 측에 배치되어 그 사이에 내부 클러치 플레이트(250)와 외부 클러치 플레이트(252)를 포획한다. 액추에이터 플레이트(256)는 액추에이터(146)의 제1 캠 플레이트(260)와 일체로 형성되거나 액추에이터(146)의 제1 캠 플레이트(260)에 구동 가능하게 결합될 수 있다.
액추에이터(146)는 회전가능한 제2 캠 플레이트(262)와 협력하는, 축방향으로 이동가능한 제1 캠 플레이트(260)를 포함하는 볼 램프 액추에이터로 도시된다. 제1 캠 플레이트(260)는 회전이 제한되고 제2 캠 플레이트(262)는 병진이 제한된다. 캠 플레이트(260 및 262) 각각은 테이퍼진 원주로 연장하는 홈(264 및 266)을 각각 포함한다. 볼(268)은 캠 홈(264, 266) 내에 배치된다. 캠 홈이 테이퍼지므로 제2 캠 플레이트(262)와 제1 캠 플레이트(260) 사이의 상대적인 회전은 제2 캠 플레이트(262)에 대한 제1 캠 플레이트(260)의 축방향 움직임을 유도한다. 스러스트 베어링(272)은 액추에이터(146)에 의해 생성되는 축방향 부하에 리액션하기 위해 제2 캠 플레이트(262)와 케이스(52) 사이에 배치된다. 또한 캠 플레이트(262)는 외부 원주면 상에 형성되는 복수의 기어 치형부(274)를 포함한다.
액추에이터 기어(276)는 기어 치형부(274)와 일정한 맞물림 결합을 한다. 입력 스핀들(278)은 액추에이터 기어(276)와 일체로 형성된다. 전기 모터(280)와 같은 토크 공급원은 입력 스핀들(278)에 구동을 공급하게 결합된다. 전기 모터(280)는 어느 방향으로든 입력 스핀들(278)을 회전시키기 위해 제어될 수 있다. 이와 같이, 제2 캠 플레이트(262)는 그에 대해 제1 캠 플레이트(260)를 이동시키기 위해 어느 방향으로든 회전될 수 있다. 제1 캠 플레이트(260)는 제2 캠 플레이트(262)에 가장 가까운 제1 위치와 제2 캠 플레이트(262)로부터 가장 멀리 떨어진 제2 위치 사이에서 이동가능하다. 스프링(210)은 스러스트 베어링(290)을 통해 허브(184)와 제1 캠 플레이트(260)를 제1 위치를 향해 강제한다. 제1 캠 플레이트(260)가 제1 위치에 있는 경우 액추에이터 플레이트(256)는 수축 위치에 위치하고 부하는 내부 클러치 플레이트(250)나 외부 클러치 플레이트(252)에 인가되지 않는다. 이 때, 토크는 제2 클러치(144)를 통해 전달되지 않는다.
클러치 액추에이터(146)가 전기 모터로 구동되는 볼 램프 액추에이터로 도시되는 반면, 액추에이터 플레이트(256)와 허브(184)로 축방향 힘을 제공할 수 있는 다른 액추에이터도 고려되어야 함을 이해해야 한다. 구체적으로, 유압 작동되는 피스톤, 전기적 솔레노이드, 전기적으로 작동되는 선형 액추에이터 등은 기어로 된 볼 램프 배치 대신 결합될 수 있다.
작동시, 전기 모터 조립체(58)의 시동은 허브(150)와 링 기어(148)의 동시 회전을 야기한다. 차량 출발 중과 같이 저기어비가 요구된다면 전기 모터(280)는 입력 스핀들(278)과 액추에이터 기어(276)을 회전시키기 위해 작동된다. 제2 캠 플레이트(262)의 역회전은 액추에이터 플레이트(256)로 가진력을 공급하고 제2 클러치(144)를 통해 토크를 전달하기 위해 제1 캠 플레이트(260)를 축방향으로 구동한다. 이 때, 허브(184)와 선 기어(156)는 케이스(52)에 대해 회전이 제한된다. 또,한 제1 캠 플레이트(260)의 축방향 병진은 허브(184)가 축방향으로 병진하도록 한다. 플랜지(199)는 제1 클러치(142)를 통해 토크가 전달되지 않도록 외부 클러치 플레이트(194)와 내부 클러치 플레이트(198)로부터 결합이 해제된다. 제1 클러치(142)가 토크를 전달하지 않는 개방 조건에서, 드럼(180)과 링 기어(148)는 허브(184)와 선 기어(156)에 대해 회전할 수 있다. 맞물림 기어의 특수한 구조에 기초하여, 감속비는 유성 기어셋(140)의 입력인 링 기어(148)와 출력인 캐리어(158)를 구비하는 유성 기어셋(140)에 의해 제공된다.
동력은 캐리어(158)로부터 전송축(86), 제1 감속 기어셋(74), 제2 감속 기어셋(80) 및 베벨 차동(72)을 통해 전달된다. 그 후, 동력은 피니온(120)을 통해 사이드 기어(108 및 114)로 전달되고 궁극적으로 출력축(112 및 118)으로 전달된다. 모터 조립체(58)의 변속 제어는 바퀴로 전달되는 토크가 다양하게 제어될 수 있도록 한다.
고기어비에서의 전기 구동 모듈(32)의 작동이 요구되는 경우, 전기 모터(280)는 전술한 것과 반대 방향으로 액추에이터 기어(276)를 회전시키기 위해 전원을 공급받는다. 제2 캠 플레이트(262)는 볼(268)이 홈(264, 266)의 더 깊은 영역을 향해 이동하도록 제1 캠 플레이트(260)에 대해 회전된다. 스프링(210)은 허브(184)와 제1 캠 플레이트(260)를 제1 위치를 향해 편향시킨다. 액추에이터 플레이트(256)는 더 이상 압축력을 인가하지 않고 제2 클러치(144)는 더 이상 토크를 전달하지 않는다. 플랜지(199)는 제1 클러치(142)의 클러치 플레이트로 압축력을 인가하고 토크는 그를 통해 전달된다. 이 때, 링 기어(148)는 유성 기어셋(140)을 잠금 또는 직접-구동 모드에 놓도록 선 기어(156)와 함께 회전하기 위해 고정된다. 2단-변속 구동 모듈(50)은 유성 기어셋(140)이 직접 구동 모드로 작동하는 경우 기어 감속을 제공하지 않는다. 전기 구동 모듈(32)에 의해 제공되는 전체 속도 감속비는 제1 기어셋(74), 제2 기어셋(80) 및 베벨 차동(72)에 의해 형성된다. 또한, 고구동비는 전기 모터(280)에 아무런 동력이 제공되지 않는 경우 달성될 수 있다. 스프링(210)은 제1 클러치(142)를 통해 토크를 전달하기 위해 필요한 에너지를 제공한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(292)는 엔진과 변속기 뿐만 아니라, 만약 존재한다면 배터리(294), 차량 센서(296), 전기 구동 모듈(32)과 통신한다. 엔진(16), 변속기(18) 및 전기 구동 모듈(32)의 동시 제어는 미국 특허 제6,595,308호와 제6,604,591호에 설명되고, 이는 본 명세서에서 참조로써 통합된다.
2단 변속 배치와 관련하여, 제어기(292)는 클러치 액추에이터(146)를 제어하고 원하는 바에 따라 저에서 고로 업시프트하거나 고에서 저로 다운시프트할 수 있도록 작동가능하다. 도 8은 고기어비 뿐만 아니라 저기어비에서 작동하는 전기 구동 모듈(32)을 도시하는 예시적 토크 출력에 대한 전기 모터 RPM 그래프를 도시한다. 전기 모터의 토크 전송 특성에 기초하여, 전기 모터는 고속으로 작동하는 것이 바람직할 것이다. 또한 도 8은 전기 구동 모듈(32)의 성능을 최적화하기 위한 목표 업시프트 및 다운시프트 로터 속도를 도시한다. 제어기(292)는 차량(10)으로부터의 에너지가 차량 내리막 또는 제동 중에 배터리(294)를 충전하기 위해 사용될 수 있도록 전기 구동 모듈(32)을 재생 모드에 놓을 수 있다.
도 9를 참조하면, 제2 클러치(144)의 끼워진 플레이트 배치가 도그 클러치(144A)로 대체된 변형된 2단-변속 모듈(50A)가 도시된다. 또한 액추에이터(146)의 전기 모터, 기어 및 볼 램프 배치는 참조부호 146A인 미끄러질 수 있는 유압으로 제어되는 피스톤과 교체되었다.
도그 클러치(144A)는 스플라인 접속(302)을 통해 선 기어(156A)와 함께 회전하기 위해 고정되는 축방향으로 이동가능한 슬리브(300)를 포함한다. 스프링(210A)은 슬리브(300) 상에 형성된 치형부(304)가 리액션 링(308) 상에 형성된 치형부(306)와 결합하는 도 9의 하단에 도시된 위치를 향해 슬리브(300)를 편향시킨다. 리액션 링(308)은 케이스(52A)에 고정되는 단부 캡(310)에 고정된다. 이 때 도그 클러치(144A)는 케이스(52A)에 대해 선 기어(156A)의 회전을 제한하는 잠금 조건에 있다. 또한, 슬리브(300)가 설명된 수축 위치에 있는 경우 슬리브(300)의 둥글납작한 영역(312)은 제1 클러치(142A)로부터 떨어지고 제1 클러치(142A)에 힘을 가하지 않는다. 토크는 클러치(142A)를 통해 전달되지 않고 링 기어(148A)는 선 기어(156A)에 대해 자유롭게 회전한다. 감속 기어비는 로터축(62A)와 전송축(86A) 사이에 제공될 수 있다. 이와 같이, 액추에이터(146A)에 동력이 공급되지 않는 경우 저기어비가 유지된다.
2단-변속 모듈(50A)을 저에서 고로 바꾸기 위해, 가압된 유체가 피스톤(146A)을 포함하는 공동(314)으로 제공된다. 피스톤(146A)의 병진은 어플라이 링(316)도 동일한 방향으로 축방향으로 병진할 수 있도록 한다. 어플라이 링(316)은 슬리브(300) 상에 저널링 된 베어링(318)에 의해 지지된다. 슬리브(300)의 동시 병진은 도그 치형부(304)가 도그 치형부(306)으로부터 결합이 해제되도록 하고 그에 따라 선 기어(156A)가 케이스(52A)에 대해 회전하도록 한다. 거의 동시에 둥글납작한 영역(312)은 링 기어(148A)와 선 기어(156A)가 서로 함께 회전하도록 고정하기 위해 제1 클러치(142A)로 압축력을 인가한다. 전술한 바와 같이, 이러한 동작은 유성 기어셋(140A)을 직접 구동 모드에 놓는다.
도 10은 참조부호 50B인 또 다른 대안적인 2단-변속 모듈을 도시한다. 모듈(50B)은 전술한 링 기어-선 기어 상호 연결 대신 제1 클러치(142B)가 링 기어(148B)를 캐리어(158B)에 선택적으로 고정하기 위해 작동한다는 점을 제외하고 모듈(50A)과 실질적으로 유사하다. 특히, 2단-변속 모듈(50B)을 고기어 영역에서 작동하는 것이 요구되는 경우, 도그 클러치(144B)가 개방 모드에 있는 동안 플레이트 클러치(142B)는 링 기어(148B)와 캐리어(158B)가 서로 함께 회전하도록 고정하는 토크를 전달함으로써 유성 기어셋(140B)을 직접 구동 모드 또는 1:1 비율 모드에 위치시킨다.
도 11은 도그 클러치(144C)와 관련되는 댐퍼(350)를 포함하는 또 다른 대안적인 2단-변속 모듈(50C)을 도시한다. 댐퍼(350)는 단부 캡(310)에 대해 회전 운동이 가능하게 하는 연장된 개구(352)를 구비하는 리액션 링(308)을 포함한다. 원주에 위치되는 스프링(354)은 리액션 링(308)을 공칭 위치에 놓으나 도그 클러치 결합에 대한 댐퍼를 제공하기 위해 스프링의 힘에 대해 제한된 상대 회전을 허용한다.
도 12는 참조부호 32A인 또 다른 대안적인 전기 구동 모듈을 도시한다. 전기 구동 모듈(32A)은 오프셋 중간축 기어 배치(70)를 대신하는 유성 기어셋(70D)을 포함한다. 선 기어(400)는 전송축(86D)과 함께 회전하기 위해 고정된다. 링 기어(402)는 회전이 제한되고 하우징 조립체(42D)에 결합된다. 복수의 피니온 기어(404)는 캐리어(406) 상에 회전가능하게 지지되고 링 기어(402) 및 선 기어(400)와 일정한 맞물림 결합을 하도록 놓인다. 원하는 경우 추가적인 차동 조립체 또는 파이널 구동 유닛이 제공될 수 있다.
도 13은 참조부호 500인 또 다른 대안적인 전기 구동 모듈을 도시한다. 전기 구동 모듈(500)은 로터(502)의 회전축이 제1 출력축(504)과 제2 출력축(506)의 공통 회전축으로부터 오프셋되고 공통 회전축에 실질적으로 평행한, 오프셋 형태 또는 비축 형태의 트랜스액슬을 제공한다. 특히, 도 13은 2단-변속 모듈(508)에 구동 가능하게 결합하는 로터(502)를 도시한다. 2단-변속 모듈(508)은 오프셋 중간축, 유성 기어셋 또는 또 다른 감속 배치를 포함하는 기어셋으로 구성될 수 있다. 액추에이터(510)는 출력축(512)으로 서로 다른 두 기어비 중 하나로 선택적으로 출력하도록 2단-변속 모듈(508)을 제어하기 위해 작동가능하다. 출력축(512)은 제1 기어셋(516)과 제2 기어셋(518)을 포함하는 파이널 구동 유닛(514)에 동력을 제공한다. 기어셋(518)의 구동 기어(520)는 차동 조립체(524)의 하우징(522)과 함께 회전하기 위해 고정된다. 차동 조립체(524)의 사이드 기어(526)는 제1 출력축(504)과 제2 출력축(506)을 구동한다. 오프셋 배치가 전술한 동축 정렬 형태의 사용을 배제할 수 있는 특정한 서스펜션 및 하부 구성을 구비하는 차량 내의 전기 구동 모듈(500)을 패키징하는 데에 유용할 수 있다는 것이 고려된다.
실시예의 상기 설명은 설명의 목적으로 제공된다. 이는 완전하거나 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 특정한 실시예의 개별적인 구성요소 또는 특징은 일반적으로 그러한 특정 실시예에 한정되지 않으나, 구체적으로 도시되거나 설명되지 않은 경우에도 적용가능하다면 선택된 실시예에서 교체되거나 사용될 수 있다. 또한 동일한 것은 여러가지로 다양할 수 있다. 그러한 변화는 본 발명을 벗어나지 않는 것으로 여겨지고, 그러한 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되기 위한 것이다.

Claims (21)

  1. 전기 모터와,
    제1 입력 부재와,
    제1 출력 부재와,
    상기 제1 입력 부재와 상기 제1 출력 부재를 서로 다른 두 구동비 중 하나로 구동 가능하게 선택적으로 상호 연결하는 2단-변속 모듈과,
    상기 제1 출력 부재에 의해 구동되는 제2 입력 부재를 포함하고 상기 제2 입력 부재에 대해 감소된 속도로 구동되는 제2 출력 부재를 구비하는 감속 유닛과,
    상기 제2 출력 부재에 의해 구동되는 입력부, 제1 출력축을 구동하는 제1 차동 출력부, 제2 출력축을 구동하는 제2 차동 출력부를 구비하는 차동 조립체를 포함하는 자동차를 위한 전기 구동 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감속 유닛 및 상기 차동 조립체는 상기 전기 모터의 제1 단부에 위치하고 상기 2단-변속 모듈은 상기 전기 모터의 대향하는 단부에 위치하는 전기 구동 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기 모터는 상기 제1 입력 부재를 구동하는 로터축을 포함하는 전기 구동 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 출력 부재와 상기 제2 입력 부재를 상호 연결하는 전송축을 더 포함하고, 상기 전송축은 상기 전기 모터를 통해 연장하는 전기 구동 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 출력축은 상기 전송축을 통해 연장하는 전기 구동 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 감속 유닛은 중간축과 함께 회전하기 위해 고정되는 제1 및 제2 기어를 포함하고, 상기 제1 기어는 상기 제2 입력 부재에 의해 구동되고, 상기 제2 기어는 상기 제2 출력 부재를 구동하는 전기 구동 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중간축은 상기 제1 입력 부재의 회전축과 실질적으로 평행하고 상기 제1 입력 부재의 회전축으로부터 오프셋되는 축에 대해 회전하는 전기 구동 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 상기 전기 모터와 상기 감속 유닛을 포함하는 하우징으로부터 분리되는 케이스에 포함되는 전기 구동 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 유성 기어셋을 포함하고, 상기 제1 입력 부재는 상기 유성 기어셋의 링 기어를 포함하고 상기 제1 출력 부재는 상기 유성 기어셋의 캐리어를 포함하는 전기 구동 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 선 기어와 상기 캐리어 중 하나를 상기 링 기어와 동일한 속도로 선택적으로 구동하기 위한 제1 클러치를 포함하는 전기 구동 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 상기 유성 기어셋을 언더드라이브 모드로 작동시키기 위해 상기 선 기어의 회전을 선택적으로 제한하는 제2 클러치를 포함하는 전기 구동 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 클러치의 작동을 동시에 제어하기 위한 클러치 액추에이터를 더 포함하는 전기 구동 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 클러치 액추에이터는 또 다른 전기 모터에 의해 구동되는 볼 램프 기구를 포함하는 전기 구동 모듈.
  14. 제12항에 있어서, 상기 클러치 액추에이터는 가압 유체에 의해 구동되는 피스톤을 포함하는 전기 구동 모듈.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 클러치는 공통의 회전가능하게 구동되는 부재를 공유하는 전기 구동 모듈.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제2 클러치는 플레이트 클러치와 도그 클러치 중 하나인 전기 구동 모듈.
  17. 제11항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 상기 제1 클러치를 토크 전송 모드로 놓고 상기 유성 기어셋을 직접 구동 모드로 작동시키기 위해 상기 제1 클러치의 부재를 편향시키는 스프링을 포함하는 전기 구동 모듈.
  18. 제11항에 있어서, 상기 2단-변속 모듈은 상기 제2 클러치를 토크 전송 모드로 놓고 상기 유성 기어셋을 언더드라이브 모드로 작동시키기 위해 상기 제2 클러치의 부재를 편향시키는 스프링을 포함하는 전기 구동 모듈.
  19. 제11항에 있어서, 상기 제2 클러치는 댐퍼에 결합되는 도그 클러치인 전기 구동 모듈.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제2 출력축은 전체가 상기 전기 모터 및 상기 2단-변속 모듈을 통해 연장되는 전기 구동 모듈.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전기 모터는 제1 축에 대해 회전하는 로터를 포함하고, 상기 제1 및 제2 출력축은 상기 제1 축으로부터 오프셋되고 상기 제1 축과 실질적으로 평행하게 연장하는 제2 축에 대해 회전하는 전기 구동 모듈.
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